3-丁烯腈在盐酸催化剂溶液中的水解动力学研究

3-丁烯酸，又名乙烯基乙酸，分子式C4H6O2，同时具有双键和羧基，可以作为很好的化工原料和有机中间体，被广泛用于药物、树脂、杀菌剂、表面涂料和增塑剂等方面。随着市场对3-丁烯酸的需求越来越大，3-丁烯酸的合成方法也越来越多，主要包括钯催化合成法、电合成法以及腈水解法等，但这些方法存在反应条件苛刻、产品收率低等一定的局限性。酸或碱催化腈水解是最常用的制备有机羧酸的方法，早在1944年Edward Rietz 就提出了酸催化条件下3-丁烯腈水解制备3-丁烯酸的方法，此方法反应时间较短且反应条件简单，产品收率和选择性相比其他方法也相当不错。本研究通过对盐酸催化条件3-丁烯腈水解工艺条件的分析，研究3-丁烯腈在盐酸催化条件下水解反应动力学，为3-丁烯酸的工业化生产提供参考依据。

实验部分

1.1 试验原料

浓盐酸，分析纯；3-丁烯腈（C4H5N）、3-丁烯酰胺（C4H7ON）以及3-丁烯酸，自制（质量分数≥99%）；乙醚，乙醇，去离子水等。

1.2 实验装置及操作

反应装置主体为500 mL 玻璃烧瓶（包括取样口和搅拌装置等），配以玻璃球形冷凝管以及油浴等仪器。装置的使用温度在200 ℃以内，常压下进行。

实验过程如下：首先对反应仪器进行洗涤（用水和乙醇各洗涤3次）和干燥，然后按规定比例加入所需反应物质，其中V(乙醇):V(水)=1:1；冷凝管中通入冷却水，把油浴升到相应的温度并开始搅拌（转速150 r/min），随着反应的进行，每隔一段时间对反应液进行取样，处理后进行分析。反应一段时间后可能会有白色晶体析出（盐酸含量较大时），且冷凝管中出现液体回流。

3-丁烯腈水解反应式：

取样采用1.0mL的移液管。取样时先打开取样口，然后迅速移取1.0mL的液体，放入小试管中待分析。

1.3 分析方法

水解产物分析采用7890F气相色谱仪（GC），定性分析和标准样品对照定性，定量分析用外标法（即标准曲线法）。色谱柱为毛细管柱，FID检测器，分流进样器，柱温100 ℃，进样温度150 ℃、检测温度180 ℃、总体积流量3.4mL/min、进样量0.5μL。

2 结果与讨论

3-丁烯腈初始含量对水解反应的影响在温度为353.15 K、盐酸浓度为5.0mol/L的条件下，试验了3-丁烯腈初始浓度（0.2～0.6 mol/L）对水解反应的影响，结果如图1所示。

从图1可见，3-丁烯腈的初始浓度对其水解反应的转化率影响较小。因此，以后的试验中，3-丁烯腈的初始浓度选定为0.5mol/L。

从图2可见，盐酸浓度对3-丁烯酰胺的水解反应有较大的影响： 当盐酸浓度小于5.0 mol/L 时，随着盐酸浓度的增大，3-丁烯酰胺水解速率随之增加；但盐酸浓度大于5.0 mol/L 时，随着盐酸浓度的增大，3-丁烯酰胺水解速率开始降低。

比较图2和图3可知，2者相应的曲线较为吻合，说明3-丁烯酰胺水解生成3-丁烯酸具有很高的选择性，3-丁烯酰胺的水解反应中几乎没有其他副产物的产生。

温度对3-丁烯酰胺水解反应的影响在常压、3-丁烯酰胺初始浓度为0.50 mol/L、盐酸浓度5.0mol/L 条件下，试验了不同反应温度下对3-丁烯酰胺水解反应的影响，3-丁烯酰胺的转化率同样随着温度的升高而增大，温度为333.15K时，反应60min时，3-丁烯酰胺的转化率76%；而温度为373.15K时，反应在30min时3-丁烯酰胺的转化率已达盐酸浓度对3-丁烯酸收率的影响。3-丁烯酰胺的转化曲线与3-丁烯酸的收率曲线较为吻合，则说明3-丁烯酸在盐酸溶液中有很好的稳定性。但并不是温度越高越好，当温度为373.15K时，在产物中发现了2-丁烯酸等副产物的产生。